JP3821041B2

JP3821041B2 - Surface emitting laser

Info

Publication number: JP3821041B2
Application number: JP2002125119A
Authority: JP
Inventors: 隆昭平田; 武史井上
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2002-04-26
Filing date: 2002-04-26
Publication date: 2006-09-13
Anticipated expiration: 2022-04-26
Also published as: JP2003318485A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、成長層に垂直な方向にレーザ光を出射する面発光レーザに関し、特に素子の熱抵抗及び電気抵抗を低減することが可能な面発光レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）は活性層とクラッド層を多層膜等で形成された反射層で挟み込んだ構造を有するものであり、光通信用光源や光計測用光源として用いられ、特にＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing：波長分割多重）等の波長多重通信に適用することが可能である。
【０００３】
図４はこのような従来の面発光レーザの一例を示す構成断面図であり、「J.Boucart, C.Starck, F.Gaborit, A.Plais, N..Bouche, E.Derouin, J.C.Remy, J.Bonnet-Gamard, L.Goldstein, Member, IEEE, C.Fortin, D.Carpentier, P.Salet, F.Brillouet, and J.Jacquet, "Metamorphic DBR and Tunnel-Junction Injection：A CW RT Monolithic Long-Wavelength VCSEL", IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS，VOL.5, NO.3, MAY/JUNE 1999」に記載されたものである。
【０００４】
図４において１はｎ型のＩｎＰ基板、２及び９はそれぞれｎ型のＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ及びｎ型のＧａＡｓ／ＡｌＡｓで形成された分布反射層（Distributed Bragg Reflector：以下、ＤＢＲ層と呼ぶ。）、３及び８はｎ型のＩｎＰ層、４はＭＱＷ（Multi Quantum Well：多重量子井戸）等を用いた活性層、５はｐ型のＩｎＰ層、６はｐ^＋型のＩｎＧａＡｓＰ層、７はｎ^＋型のＩｎＧａＡｓＰ層、１０は上部電極、１１ａ及び１１ｂは下部電極、１２ａ及び１２ｂは水素イオン注入領域である。
【０００５】
ｎ型のＩｎＰ基板１の上にはＤＢＲ層２が形成され、ＤＢＲ層２の上にはｎ型のＩｎＰ層３が形成される。ｎ型のＩｎＰ層３の上には多重量子井戸等を用いた活性層４が形成され、活性層４の上にはｐ型のＩｎＰ層５が形成される。
【０００６】
ｐ型のＩｎＰ層５の上にはｐ^＋型のＩｎＧａＡｓＰ層６及びｎ^＋型のＩｎＧａＡｓＰ層７が順次形成され、ｎ^＋型のＩｎＧａＡｓＰ層７の上にはｎ型のＩｎＰ層８が形成される。
【０００７】
ｎ型のＩｎＰ層８の上にはＤＢＲ層９が形成され、ＤＢＲ層９の上には上部電極１０が形成される。また、ｎ型のＩｎＰ基板１の下部には下部電極１１ａ及び１１ｂがそれぞれ形成される。
【０００８】
さらに、発光領域の周囲であってｐ型のＩｎＰ層５からＤＢＲ層９に至る領域には水素イオンが注入されて１２ａ及び１２ｂに示すような水素イオン注入領域が形成される。
【０００９】
ここで、図４に示す従来例の動作を説明する。ＤＢＲ層２とＤＢＲ層９との間で光共振器が形成されている。また、図４においてｎ型のＩｎＰ基板１の厚さは”１００μｍ”程度であるのに対して、その他の層の合計の厚さは”１０μｍ”程度であるので、上部を発光層（活性層）側、下部を基板側と呼ぶ。
【００１０】
そして、上部電極１０と下部電極１１ａ及び１１ｂとの間に電圧が印加されると上部電極１０からｎ^＋型のＩｎＧａＡｓＰ層７に向って電子が流れる。この電子はｎ^＋層とｐ^＋層とで形成されるトンネル接合で、正孔に変換され、この正孔が活性層４に流れる。また、逆に下部電極１１ａ及び１１ｂから活性層４に向って電子が流れる。
【００１１】
このとき、バンドギャップの最も狭い活性層４において正孔と電子の結合が生じて光が発光し、前述の光共振器で光増幅されて基板側であって下部電極１１ａ及び１１ｂが無い部分からレーザ光として出力される。
【００１２】
一方、短波長帯の面発光レーザと比較して従来の長波長帯の面発光レーザでは、使用する半導体材料の物理的性質から温度特性が悪く、高出力発振や高温での発振に適していないと言った問題点があった。
【００１３】
このため、図４に示す従来例では上部のＤＢＲ層９を熱抵抗及び電気抵抗の低いｎ型のＧａＡｓ／ＡｌＡｓを用いて、基板側からレーザ光を取り出し、反対側である発光層（活性層）側、言い換えれば、上部電極１０の上にヒートシンクをボンディングして熱を逃す構造をとっている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図４に示す従来の面発光レーザでは発光層（活性層）側にボンディングされたヒートシンクと、発光層である活性層４との距離は最短ではなく、この距離に起因する熱抵抗及び電気抵抗を無視できないと言った問題点があった。
従って本発明が解決しようとする課題は、素子の熱抵抗及び電気抵抗を更に低減することが可能な面発光レーザを実現することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
成長層に垂直な方向にレーザ光を出射する面発光レーザにおいて、基板と、この基板上に形成された分布反射層と、２つのクラッド層により上下方向から挟まれると共に前記分布反射層上に形成された活性層と、上部の前記クラッド層上に形成され光の取り出し口を有するｐ型電極と、このｐ型電極上に接着されたミラーと、前記基板の裏面に形成されたｎ型電極とを備え、発光領域の周囲であって上部の前記クラッド層及び前記活性層と下部の前記クラッド層にｐ型不純物を拡散若しくはイオン注入させたことにより、素子の熱抵抗及び電気抵抗を低減することが可能になり、光共振器を内部には光吸収の大きなｐ型の半導体層が存在しないので、光共振器の光損失を低減することが可能になる。
【００１６】
請求項２記載の発明は、
請求項１記載の発明である面発光レーザにおいて、
前記ｐ型電極上に金の厚膜を形成して前記ミラーを接着したことにより、上部クラッド層の上に熱伝導の良好な金メッキ（金の厚膜）が施されたｐ型電極を形成されるので素子の熱抵抗及び電気抵抗をさらに低減することが可能になる。
【００１７】
請求項３記載の発明は、
請求項１記載の発明である面発光レーザにおいて、
前記取り出し口の形状が円形若しくは楕円形であることにより、素子の熱抵抗及び電気抵抗を低減することが可能になる。
【００１８】
請求項４記載の発明は、
請求項１記載の発明である面発光レーザにおいて、
前記取り出し口の形状が任意の形状であることにより、素子の熱抵抗及び電気抵抗を低減することが可能になる。
【００１９】
請求項５記載の発明は、
請求項１記載の発明である面発光レーザにおいて、
前記ｐ型電極に形成された前記取り出し口の部分に気体を封入したことにより、素子の熱抵抗及び電気抵抗をさらに低減することが可能になる。
【００２０】
請求項６記載の発明は、
請求項１記載の発明である面発光レーザにおいて、
前記ｐ型電極に形成された前記取り出し口の部分に液体を封入したことにより、素子の熱抵抗及び電気抵抗をさらに低減することが可能になる。
【００２１】
請求項７記載の発明は、
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の発明である面発光レーザにおいて、
上部の前記クラッド層の上面であって、前記取り出し口の部分に段差を設けて前記取り出し口部分の少なくとも一部に上部の前記クラッド層を出っ張らせる構造にしたことにより、素子の熱抵抗及び電気抵抗を低減することが可能になる。
【００２２】
請求項８記載の発明は、
請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の発明である面発光レーザにおいて、
前記ミラーを可動にしたことにより、レーザ光の波長が可変となる。
【００２３】
請求項９記載の発明は、
請求項８記載の発明である面発光レーザにおいて、
梁構造を形成して前記梁の中心に前記ミラーを形成して、電圧を印加することにより発生する静電気力を駆動力として前記ミラーの位置を変化させることにより、レーザ光の波長が可変となる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係る面発光レーザの一実施例を示す構成断面図である。
【００２６】
図１において１３はｎ型のＩｎＰ基板、１４はｎ型のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓで形成された分布反射層（Distributed Bragg Reflector：以下、ＤＢＲ層と呼ぶ。）、１５は下部のクラッド層であるｎ型のＩｎＰ層、１６はＭＱＷ（Multi Quantum Well：多重量子井戸）等を用いた活性層、１７は上部のクラッド層であるｐ型のＩｎＰ層、１８ａ及び１８ｂはｐ型電極、１９は誘電体多層膜ミラー、２０はｎ型電極である。
【００２７】
ｎ型のＩｎＰ基板１３の上にはＤＢＲ層１４が形成され、ＤＢＲ層１４の上にはｎ型のＩｎＰ層１５が形成される。ｎ型のＩｎＰ層１５の上には多重量子井戸等を用いた活性層１６が形成され、活性層１６の上にはｐ型のＩｎＰ層１７が形成される。
【００２８】
ｐ型のＩｎＰ層１７の上にはｐ型電極が形成され、レーザ光を取り出すため図１中”ＣＳ０１”に示す円形部分を取り除かれてｐ型電極１８ａ及び１８ｂとなり、さらに、ｐ型電極１８ａ及び１８ｂ上には膜厚が１０μｍの金（Ａｕ）の厚膜をメッキで形成する。
【００２９】
また、ｐ型電極１８ａ及び１８ｂ（金の厚膜）の上には誘電体多層膜ミラー１９が接着され、ｎ型のＩｎＰ基板１３の下部にはｎ型電極２０が形成される。
【００３０】
図１に示すような実施例の製造方法としては、ｎ型のＩｎＰ基板１３上に有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）法により、ＤＢＲ層１４，ｎ−ＩｎＰ層１５、活性層１６、ｐ−ＩｎＰ層１７を順次形成させる。
【００３１】
そして、ｐ−ＩｎＰ層１７の上にフォトリソグラフィー法及びリフトオフ法を用いて図１中”ＣＳ０１”に示す直径１０μｍの円形部分を取り除いてｐ型電極１８ａ及び１８ｂを形成し、このｐ型電極１８ａ及び１８ｂに対して厚膜である１０μｍ厚の金メッキを施す。
【００３２】
最後に、へき開によりチップ化した後、Ｓｉウェハ等の上に形成した誘電体多層膜ミラー１９をｐ型電極１８ａ及び１８ｂ（金の厚膜）の上に接着する。
【００３３】
ここで、図１に示す実施例の動作を説明する。光共振器はＤＢＲ層１４と誘電体多層膜ミラー１９との間で形成されている。また、図１においてｎ型のＩｎＰ基板１３の厚さは”１００μｍ”程度であるのに対して、その他の層の合計の厚さは”１０μｍ”程度であるので、上部を発光層（活性層）側、下部を基板側と呼ぶ。
【００３４】
そして、ｐ型電極１８ａ及び１８ｂとｎ型電極２０との間に電圧が印加されるとｐ型電極１８ａ及び１８ｂから、ｐ−ＩｎＰ層１７、活性層１６、ｎ−ＩｎＰ層１５、ＤＢＲ層１４及びｎ−ＩｎＰ基板１３を通りｎ型電極２０まで電流（正孔）が流れる。また、逆にｎ型電極２０からｐ型電極１８ａ及び１８ｂに向って電子が流れる。
【００３５】
このとき、バンドギャップの最も狭い活性層１６において正孔と電子の結合が生じて光が発光し、前述の光共振器で光増幅されて発光層（活性層）側からレーザ光として出力される。
【００３６】
すなわち、図１に示す実施例では、図４に示す従来例における上部のＤＢＲ層が取り除かれ、熱伝導の良好な１０μｍ厚の金メッキ（金の厚膜）が施されたｐ型電極が発光領域である活性層１６の近傍に形成できるので、従来例と比較して熱抵抗及び電気抵抗を低減することが可能になる。
【００３７】
この結果、上部のＤＢＲ層を除去して、上部クラッド層の上に熱伝導の良好な金メッキ（金の厚膜）が施されたｐ型電極を形成することにより、素子の熱抵抗及び電気抵抗を更に低減することが可能になる。
【００３８】
なお、図１に示す実施例では注入された電流はｐ型電極１８ａ及び１８ｂからｎ型電極２０に向って流れるので、発光領域である活性層１６の上下方向から注入されているが、発光領域の横方向から電流を注入しても構わない。
【００３９】
図２はこのような本発明に係る面発光レーザの他の実施例を示す構成断面図である。図２において１３，１４，１６，１８ａ，１８ｂ、１９及び２０は図１と同一符号を付してあり、２１はｎ型のＩｎＰ層、２２は不純物がドーピングされていないｕ（undope）−ＩｎＰ層、２３ａ及び２３ｂはｐ型不純物であるＺｎが拡散されるＺｎ拡散領域、２４は発光領域である。
【００４０】
ｎ型のＩｎＰ基板１３の上にはＤＢＲ層１４が形成され、ＤＢＲ層１４の上にはｎ型のＩｎＰ層２１が形成される。ｎ型のＩｎＰ層２１の上には多重量子井戸等を用いた活性層１６が形成され、活性層１６の上にはｕ−ＩｎＰ層２２が形成される。
【００４１】
ｕ−ＩｎＰ層２２の上にはｐ型電極が形成され、レーザ光を取り出すため図２中”ＣＳ１１”に示す円形部分を取り除かれてｐ型電極１８ａ及び１８ｂとなり、さらに、ｐ型電極１８ａ及び１８ｂ上には膜厚が１０μｍの金（Ａｕ）の厚膜をメッキで形成する。
【００４２】
また、ｐ型電極１８ａ及び１８ｂ（金の厚膜）の上には誘電体多層膜ミラー１９が接着され、ｎ型のＩｎＰ基板１３の下部にはｎ型電極２０が形成される。
【００４３】
さらに、ｐ型電極１８ａ及び１８ｂの下部であってｕ−ＩｎＰ層２２、活性層１６及びｕ−ＩｎＰ層２１の部分にはＤＢＲ層１４に到達しない範囲でＺｎが拡散される。
【００４４】
図２に示すような実施例の製造方法としては、ｎ型のＩｎＰ基板１３上に有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）法により、ＤＢＲ層１４，ｕ−ＩｎＰ層２１、活性層１６、ｕ−ＩｎＰ層２２を順次形成させる。
【００４５】
そして、ＭＯＶＰＥ装置を用いてＺｎ拡散領域２３ａ及び２３ｂにＺｎを拡散させる。このとき、活性層１６であってＺｎが拡散されなかった部分が発光領域２４となる。
【００４６】
また、ｕ−ＩｎＰ層２２の上にフォトリソグラフィー法及びリフトオフ法を用いて図２中”ＣＳ１１”に示す直径１０μｍの円形部分を取り除いてｐ型電極１８ａ及び１８ｂを形成し、このｐ型電極１８ａ及び１８ｂに対して１０μｍ厚の金メッキを施す。
【００４７】
最後に、へき開によりチップ化した後、Ｓｉウェハ等の上に形成した誘電体多層膜ミラー１９をｐ型電極１８ａ及び１８ｂ（金の厚膜）の上に接着する。
【００４８】
ここで、図２に示す実施例の動作を図３を用いて説明する。図３は注入された電流の流れを説明する説明図であり、付されている符号は図２に示す符号と同一である。また、図１に示す実施例と同様の部分に関する説明は省略する。
【００４９】
また、図２おいてｎ型のＩｎＰ基板１３の厚さは”１００μｍ”程度であるのに対して、その他の層の合計の厚さは”１０μｍ”程度であるので、上部を発光層（活性層）側、下部を基板側と呼ぶ。
【００５０】
光共振器は図１に示す実施例と同様にＤＢＲ層１４と誘電体多層膜ミラー１９との間であって、Ｚｎが拡散されなかった部分に形成されている。
【００５１】
そして、ｐ型電極１８ａ及び１８ｂとｎ型電極２０との間に電圧が印加されると、図３中”ＣＲ１１”に示すようにｐ型電極１８ａ及び１８ｂからＺｎ拡散領域２３ａ及び２３ｂに下方向に電流が流れ込む。
【００５２】
さらに、Ｚｎ拡散領域２３ａ及び２３ｂに流れ込んだ電流は、横方向から発光領域２４に流れ込み、ＤＢＲ層１４及びＩｎＰ基板１３を介してｎ型電極２０に流れる。
【００５３】
このとき、バンドギャップの最も狭い発光領域２４（活性層１６のうちＺｎが拡散されていない部分）において正孔と電子の結合が生じて光が発光し、前述の光共振器で光増幅されて発光層（活性層）側からレーザ光として出力される。
【００５４】
この場合、上部のＤＢＲ層を除去して、Ｚｎを拡散した上部クラッド層の上に熱伝導の良好な金メッキ（金の厚膜）が施されたｐ型電極を形成することにより、素子の熱抵抗及び電気抵抗を低減することが可能になる。
【００５５】
さらに、光共振器を内部には光吸収の大きなｐ型の半導体層、言い換えれば、図１における上部クラッド層であるｐ型のＩｎＰ層１７が存在しないので、光共振器の光損失を低減することが可能になる。
【００５６】
また、図１及び図２に示す実施例では金メッキによって金の厚膜を形成しているが、従来例における上部のＤＢＲ層を除いたことにより、従来例と比較して熱抵抗が低減されるので、金の厚膜は必須の構成要素ではない。
【００５７】
また、図１及び図２に示す実施例ではＤＢＲ層１４と誘電体多層膜ミラー１９により光共振器を形成しているが、誘電体多層膜ミラーを可動にしてレーザ光の波長が可変である面発光レーザとしても構わない。
【００５８】
誘電体多層膜ミラーを可動にする方法としては、例えば、Ｘ字状等の梁構造を形成して当該梁の中心に誘電体多層膜ミラーを形成して、電圧を印加することにより発生する静電気力を駆動力として誘電体多層膜ミラーの位置を変化させる。
【００５９】
また、図１及び図２に示す実施例の説明に際しては、図１中”ＣＳ０１”等に示すレーザ光の取り出し口の形状として円形を例示しているが、勿論、取り出し口の形状は楕円形、三角形、正方形、長方形、多角形等の任意の形状であって構わない。
【００６０】
また、図１及び図２に示す実施例の説明に際しては、発光層（活性層）側からレーザ光を取り出す例を示しているが、基板側にレーザ光の取り出し口を形成して、基板側からレーザ光を取り出しても良い。
【００６１】
また、図１及び図２に示す実施例の説明に際しては、図１中”ＣＳ０１”等に示す空洞部分に関しては特に言及していないが、大気等の気体を封入しても、熱伝導の良好なＳｉオイル等の液体を封入しても構わない。
【００６２】
また、図４に示す従来例と同様にレーザ光を基板側から取り出し、発光層（活性層）側にヒートシンクをボンディングしても構わない。この場合には、基板側にレーザ光の取り出し口を形成すれば良い。
【００６３】
また、図１等の説明に際しては上部のミラーとして誘電体多層膜ミラーを例示しているが、勿論これに限定される訳ではなく、ミラーとして機能するものであれば良い。
【００６４】
また、図２に示す実施例の説明に際してはＺｎ等のｐ型不純物を拡散によりクラッド層や拡散層に拡散させていたが、イオン注入によってｐ型不純物を注入しても構わない。
【００６５】
また、上部のクラッド層であるＩｎＰ層１７やＩｎＰ層２２の上面であって、図１中ＣＳ０１”若しくは図２中”ＣＳ１１”に示す空間部分に接する部分に段差を設けて前記空間部分の少なくとも一部に出っ張らせる構造にしても構わない。この場合、段差により出っ張った部分が凸レンズの機能を有することになる。
【００６６】
また、単純に段差を設けるだけではなく、段差部分に傾斜を設けたり、段差部分を曲線的にしても構わない。
【００６７】
また、ＤＢＲ層１４としてはｎ型のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓを例示したが、ＩｎＧａ（Ａｌ）Ａｓ／ＩｎＡｌＡｓ若しくはＩｎＧａＡｓ（Ｐ）／ＩｎＰであっても構わない。また、ｎ型のＩｎＰ層２１の代わりにｎ型のＩｎＡｌＡｓを用いても構わない。
【００６８】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
請求項１，３，４，５及び請求項６の発明によれば、上部のＤＢＲ層を除去することにより、素子の熱抵抗及び電気抵抗を低減することが可能になり、光共振器を内部には光吸収の大きなｐ型の半導体層を用いないことにより、光共振器の光損失を低減することが可能になる。
【００６９】
また、請求項２の発明によれば、上部のＤＢＲ層を除去することにより、素子の熱抵抗及び電気抵抗を低減することが可能になり、光共振器を内部には光吸収の大きなｐ型の半導体層を用いないことにより、光共振器の光損失を低減することが可能になる。
【００７１】
また、請求項７の発明によれば、上部のクラッド層の上面であって、取り出し口の部分に段差を設けて取り出し口部分の少なくとも一部に上部の前記クラッド層を出っ張らせることにより、段差により出っ張った部分が凸レンズの機能を有することになり、光共振器の光損失を低減すると共の共振器モードを安定化することが可能になる。
【００７２】
また、請求項８及び請求項９の発明によれば、誘電体多層膜ミラーを可動にすることにより、レーザ光の波長が可変になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る面発光レーザの一実施例を示す構成断面図である。
【図２】本発明に係る面発光レーザの他の実施例を示す構成断面図である。
【図３】注入された電流の流れを説明する説明図である。
【図４】従来の面発光レーザの一例を示す構成断面図である。
【符号の説明】
１，１３ＩｎＰ基板
２，９，１４ＤＢＲ層
３，５，８，１５，１７，２１，２２ＩｎＰ層
４，１６活性層
６，７ＩｎＧａＡｓＰ層
１０上部電極
１１ａ，１１ｂ下部電極
１２ａ，１２ｂ水素イオン注入領域
１８ａ，１８ｂｐ型電極
１９誘電体多層膜ミラー
２０ｎ型電極
２３ａ，２３ｂＺｎ拡散領域
２４発光領域[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a surface emitting laser that emits laser light in a direction perpendicular to a growth layer, and more particularly to a surface emitting laser that can reduce the thermal resistance and electrical resistance of an element.
[0002]
[Prior art]
A conventional vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) has a structure in which an active layer and a clad layer are sandwiched between reflective layers formed of a multilayer film or the like, and is used as a light source for optical communication or a light source for optical measurement. In particular, it can be applied to wavelength division multiplexing such as WDM (Wavelength Division Multiplexing).
[0003]
FIG. 4 is a structural sectional view showing an example of such a conventional surface emitting laser. “J. Boucart, C. Starck, F. Gaborit, A. Plais, N .. Bouche, E. Derouin, JCRemy, J .Bonnet-Gamard, L.Goldstein, Member, IEEE, C.Fortin, D.Carpentier, P.Salet, F.Brillouet, and J.Jacquet, "Metamorphic DBR and Tunnel-Junction Injection: A CW RT Monolithic Long-Wavelength VCSEL ", IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL.5, NO.3, MAY / JUNE 1999".
[0004]
In FIG. 4, 1 is an n-type InP substrate, 2 and 9 are distributed reflection layers (Distributed Bragg Reflectors: hereinafter referred to as DBR layers) formed of n-type InP / InGaAsP and n-type GaAs / AlAs, respectively. 3 and 8 are n-type InP layers, 4 is an active layer using MQW (Multi Quantum Well), 5 is a p-type InP layer, 6 is a p ⁺ -type InGaAsP layer, and 7 is an n ⁺ A type InGaAsP layer, 10 is an upper electrode, 11a and 11b are lower electrodes, and 12a and 12b are hydrogen ion implantation regions.
[0005]
A DBR layer 2 is formed on the n-type InP substrate 1, and an n-type InP layer 3 is formed on the DBR layer 2. An active layer 4 using a multiple quantum well or the like is formed on the n-type InP layer 3, and a p-type InP layer 5 is formed on the active layer 4.
[0006]
A p ⁺ -type InGaAsP layer 6 and an n ⁺ -type InGaAsP layer 7 are sequentially formed on the p-type InP layer 5, and an n-type InP layer 8 is formed on the n ⁺ -type InGaAsP layer 7. The
[0007]
A DBR layer 9 is formed on the n-type InP layer 8, and an upper electrode 10 is formed on the DBR layer 9. Further, lower electrodes 11a and 11b are formed below the n-type InP substrate 1, respectively.
[0008]
Further, hydrogen ions are implanted into a region around the light emitting region and extending from the p-type InP layer 5 to the DBR layer 9 to form hydrogen ion implanted regions as shown in 12a and 12b.
[0009]
Here, the operation of the conventional example shown in FIG. 4 will be described. An optical resonator is formed between the DBR layer 2 and the DBR layer 9. In FIG. 4, the thickness of the n-type InP substrate 1 is about “100 μm”, whereas the total thickness of the other layers is about “10 μm”. ) Side and lower part are called substrate side.
[0010]
When a voltage is applied between the upper electrode 10 and the lower electrodes 11 a and 11 b, electrons flow from the upper electrode 10 toward the n ⁺ -type InGaAsP layer 7. The electrons are converted into holes at a tunnel junction formed by the n ⁺ layer and the p ⁺ layer, and the holes flow to the active layer 4. Conversely, electrons flow from the lower electrodes 11 a and 11 b toward the active layer 4.
[0011]
At this time, in the active layer 4 having the narrowest band gap, a combination of holes and electrons is generated, and light is emitted. The light is amplified by the optical resonator described above and is from the portion on the substrate side where the lower electrodes 11a and 11b are not present. Output as laser light.
[0012]
On the other hand, conventional long-wavelength surface emitting lasers have poor temperature characteristics due to the physical properties of the semiconductor materials used, compared to short-wavelength surface-emitting lasers, and are not suitable for high-power oscillation or high-temperature oscillation. There was a problem that said.
[0013]
For this reason, in the conventional example shown in FIG. 4, the upper DBR layer 9 is made of n-type GaAs / AlAs having a low thermal resistance and electrical resistance, laser light is extracted from the substrate side, and the light emitting layer (active layer) on the opposite side is taken out. ) Side, in other words, a heat sink is bonded onto the upper electrode 10 to release heat.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional surface emitting laser shown in FIG. 4, the distance between the heat sink bonded to the light emitting layer (active layer) side and the active layer 4 which is the light emitting layer is not the shortest. There was a problem that resistance could not be ignored.
Therefore, the problem to be solved by the present invention is to realize a surface emitting laser capable of further reducing the thermal resistance and electrical resistance of the element.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve such a problem, the invention according to claim 1 of the present invention is:
In a surface emitting laser that emits laser light in a direction perpendicular to the growth layer, it is sandwiched from above and below by a substrate, a distributed reflection layer formed on the substrate, and two cladding layers, and formed on the distributed reflection layer An active layer formed thereon, a p-type electrode formed on the upper clad layer and having a light extraction port, a mirror adhered on the p-type electrode, and an n-type electrode formed on the back surface of the substrate, And reducing the thermal resistance and electrical resistance of the device by diffusing or ion-implanting p-type impurities in the upper cladding layer, the active layer, and the lower cladding layer around the light emitting region. Since there is no p-type semiconductor layer with large light absorption inside the optical resonator, the optical loss of the optical resonator can be reduced.
[0016]
The invention according to claim 2
In the surface-emitting laser according to claim 1,
By forming a gold thick film on the p-type electrode and adhering the mirror, a p-type electrode having a gold plate (gold thick film) with good thermal conductivity on the upper cladding layer is formed. Therefore, the thermal resistance and electrical resistance of the element can be further reduced.
[0017]
The invention described in claim 3
In the surface-emitting laser according to claim 1,
When the shape of the extraction port is circular or elliptical, the thermal resistance and electrical resistance of the element can be reduced.
[0018]
The invention according to claim 4
In the surface-emitting laser according to claim 1,
When the shape of the extraction port is an arbitrary shape, the thermal resistance and electrical resistance of the element can be reduced.
[0019]
The invention according to claim 5
In the surface-emitting laser according to claim 1,
By enclosing gas in the portion of the extraction port formed in the p-type electrode, it becomes possible to further reduce the thermal resistance and electrical resistance of the element.
[0020]
The invention described in claim 6
In the surface-emitting laser according to claim 1,
By sealing the liquid in the portion of the extraction port formed in the p-type electrode, it becomes possible to further reduce the thermal resistance and electrical resistance of the element.
[0021]
The invention described in claim 7
In the surface emitting laser according to any one of claims 1 to 6,
By providing a step on the upper surface of the upper cladding layer and projecting the upper cladding layer on at least a part of the extraction port portion by providing a step in the extraction port portion, the thermal resistance and electrical power of the device The resistance can be reduced.
[0022]
The invention described in claim 8
In the surface emitting laser which is the invention according to any one of claims 1 to 7,
By making the mirror movable, the wavelength of the laser beam becomes variable.
[0023]
The invention according to claim 9
In the surface emitting laser which is the invention according to claim 8,
By forming a beam structure and forming the mirror at the center of the beam and changing the position of the mirror by using an electrostatic force generated by applying a voltage as a driving force, the wavelength of the laser beam becomes variable. .
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a structural sectional view showing an embodiment of a surface emitting laser according to the present invention.
[0026]
In FIG. 1, 13 is an n-type InP substrate, 14 is a distributed reflection layer (Distributed Bragg Reflector: hereinafter referred to as DBR layer) formed of n-type InGaAs / InAlAs, and 15 is an n-type clad layer. InP layer, 16 is an active layer using MQW (Multi Quantum Well), 17 is a p-type InP layer which is an upper cladding layer, 18a and 18b are p-type electrodes, and 19 is a dielectric multilayer A film mirror 20 is an n-type electrode.
[0027]
A DBR layer 14 is formed on the n-type InP substrate 13, and an n-type InP layer 15 is formed on the DBR layer 14. An active layer 16 using multiple quantum wells or the like is formed on the n-type InP layer 15, and a p-type InP layer 17 is formed on the active layer 16.
[0028]
A p-type electrode is formed on the p-type InP layer 17, and the circular portion indicated by “CS01” in FIG. 1 is removed to extract the laser beam, thereby forming p-type electrodes 18a and 18b. Further, the p-type electrode 18a And a thick film of gold (Au) having a film thickness of 10 μm is formed on the metal layer 18b by plating.
[0029]
A dielectric multilayer film mirror 19 is adhered on the p-type electrodes 18 a and 18 b (gold thick film), and an n-type electrode 20 is formed below the n-type InP substrate 13.
[0030]
As a manufacturing method of the embodiment as shown in FIG. 1, a DBR layer 14, an n-InP layer 15, and an active layer are formed on an n-type InP substrate 13 by a metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) method. Layer 16 and p-InP layer 17 are formed sequentially.
[0031]
Then, the p-type electrodes 18a and 18b are formed on the p-InP layer 17 by removing the circular portion having a diameter of 10 μm indicated by “CS01” in FIG. 1 by using a photolithography method and a lift-off method. And 18b thick gold plating is applied to 18b.
[0032]
Finally, after chipping by cleavage, a dielectric multilayer mirror 19 formed on a Si wafer or the like is bonded onto the p-type electrodes 18a and 18b (gold thick film).
[0033]
Here, the operation of the embodiment shown in FIG. 1 will be described. The optical resonator is formed between the DBR layer 14 and the dielectric multilayer mirror 19. In FIG. 1, the thickness of the n-type InP substrate 13 is about “100 μm”, while the total thickness of the other layers is about “10 μm”. ) Side and lower part are called substrate side.
[0034]
When a voltage is applied between the p-type electrodes 18 a and 18 b and the n-type electrode 20, the p-InP layer 17, the active layer 16, the n-InP layer 15, and the DBR layer 14 start from the p-type electrodes 18 a and 18 b. A current (hole) flows through the n-InP substrate 13 to the n-type electrode 20. Conversely, electrons flow from the n-type electrode 20 toward the p-type electrodes 18a and 18b.
[0035]
At this time, holes and electrons are coupled in the active layer 16 having the narrowest band gap, and light is emitted. The light is amplified by the above-described optical resonator and output as laser light from the light emitting layer (active layer) side. .
[0036]
That is, in the embodiment shown in FIG. 1, the upper DBR layer in the conventional example shown in FIG. 4 is removed, and the p-type electrode on which gold plating (gold thick film) having a good thermal conductivity is applied is a light emitting region. Therefore, thermal resistance and electrical resistance can be reduced as compared with the conventional example.
[0037]
As a result, by removing the upper DBR layer and forming a p-type electrode on which the gold plating (gold thick film) having good thermal conductivity is applied on the upper cladding layer, the thermal resistance and electrical resistance of the element Can be further reduced.
[0038]
In the embodiment shown in FIG. 1, since the injected current flows from the p-type electrodes 18a and 18b toward the n-type electrode 20, it is injected from the vertical direction of the active layer 16 which is the light emitting region. The current may be injected from the lateral direction.
[0039]
FIG. 2 is a structural cross-sectional view showing another embodiment of the surface emitting laser according to the present invention. In FIG. 2, 13, 14, 16, 18a, 18b, 19 and 20 are assigned the same reference numerals as in FIG. 1, 21 is an n-type InP layer, and 22 is u (undope) -InP which is not doped with impurities. The layers 23a and 23b are Zn diffusion regions where Zn which is a p-type impurity is diffused, and 24 is a light emitting region.
[0040]
A DBR layer 14 is formed on the n-type InP substrate 13, and an n-type InP layer 21 is formed on the DBR layer 14. An active layer 16 using multiple quantum wells or the like is formed on the n-type InP layer 21, and a u-InP layer 22 is formed on the active layer 16.
[0041]
A p-type electrode is formed on the u-InP layer 22, and the circular portion indicated by “CS11” in FIG. 2 is removed to extract the laser beam, thereby forming the p-type electrodes 18a and 18b. A thick film of gold (Au) having a film thickness of 10 μm is formed on 18b by plating.
[0042]
A dielectric multilayer film mirror 19 is adhered on the p-type electrodes 18 a and 18 b (gold thick film), and an n-type electrode 20 is formed below the n-type InP substrate 13.
[0043]
Further, Zn is diffused to the lower part of the p-type electrodes 18 a and 18 b and into the u-InP layer 22, the active layer 16 and the u-InP layer 21 in a range not reaching the DBR layer 14.
[0044]
As a manufacturing method of the embodiment as shown in FIG. 2, the DBR layer 14, the u-InP layer 21, the active layer are formed on the n-type InP substrate 13 by metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE). The layer 16 and the u-InP layer 22 are sequentially formed.
[0045]
Then, Zn is diffused into the Zn diffusion regions 23a and 23b using the MOVPE apparatus. At this time, the portion of the active layer 16 where Zn is not diffused becomes the light emitting region 24.
[0046]
Further, the p-type electrodes 18a and 18b are formed on the u-InP layer 22 by removing a circular portion having a diameter of 10 μm shown by “CS11” in FIG. 2 by using a photolithography method and a lift-off method. And 18b are plated with gold of 10 μm thickness.
[0047]
Finally, after chipping by cleavage, a dielectric multilayer mirror 19 formed on a Si wafer or the like is bonded onto the p-type electrodes 18a and 18b (gold thick film).
[0048]
Here, the operation of the embodiment shown in FIG. 2 will be described with reference to FIG. FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining the flow of injected current, and the reference numerals are the same as those shown in FIG. Also, the description regarding the same parts as those in the embodiment shown in FIG. 1 is omitted.
[0049]
In FIG. 2, the thickness of the n-type InP substrate 13 is about “100 μm”, while the total thickness of the other layers is about “10 μm”. The layer side and the lower part are called the substrate side.
[0050]
As in the embodiment shown in FIG. 1, the optical resonator is formed between the DBR layer 14 and the dielectric multilayer mirror 19 in a portion where Zn is not diffused.
[0051]
When a voltage is applied between the p-type electrodes 18a and 18b and the n-type electrode 20, the p-type electrodes 18a and 18b move downward from the p-type electrodes 18a and 18b to the Zn diffusion regions 23a and 23b as shown by "CR11" in FIG. Current flows into the.
[0052]
Further, the current flowing into the Zn diffusion regions 23 a and 23 b flows into the light emitting region 24 from the lateral direction, and then flows into the n-type electrode 20 through the DBR layer 14 and the InP substrate 13.
[0053]
At this time, in the light emitting region 24 having the narrowest band gap (portion in which the Zn is not diffused in the active layer 16), a hole and an electron are coupled to emit light, which is optically amplified by the optical resonator described above. Laser light is output from the light emitting layer (active layer) side.
[0054]
In this case, the upper DBR layer is removed, and a p-type electrode with gold plating (gold thick film) having good thermal conductivity is formed on the upper clad layer in which Zn is diffused. Resistance and electrical resistance can be reduced.
[0055]
Furthermore, since there is no p-type semiconductor layer having a large light absorption inside the optical resonator, in other words, the p-type InP layer 17 that is the upper cladding layer in FIG. 1, the optical loss of the optical resonator is reduced. It becomes possible.
[0056]
Further, in the embodiment shown in FIGS. 1 and 2, a thick gold film is formed by gold plating, but by removing the upper DBR layer in the conventional example, the thermal resistance is reduced as compared with the conventional example. Therefore, a thick gold film is not an essential component.
[0057]
In the embodiment shown in FIG. 1 and FIG. 2, the optical resonator is formed by the DBR layer 14 and the dielectric multilayer mirror 19, but the wavelength of the laser beam is variable by moving the dielectric multilayer mirror. A surface emitting laser may be used.
[0058]
As a method of making the dielectric multilayer mirror movable, for example, an X-shaped beam structure is formed, a dielectric multilayer mirror is formed at the center of the beam, and static electricity is generated by applying a voltage. The position of the dielectric multilayer mirror is changed using the force as a driving force.
[0059]
In the description of the embodiment shown in FIGS. 1 and 2, a circular shape is exemplified as the shape of the laser beam extraction port indicated by “CS01” in FIG. 1, but of course the shape of the extraction port is elliptical. Any shape such as a triangle, a square, a rectangle, or a polygon may be used.
[0060]
In the description of the embodiment shown in FIG. 1 and FIG. 2, an example in which laser light is extracted from the light emitting layer (active layer) side is shown. The laser beam may be taken out from.
[0061]
In the description of the embodiment shown in FIG. 1 and FIG. 2, there is no particular reference to the hollow portion shown in FIG. 1 such as “CS01”. A liquid such as Si oil may be enclosed.
[0062]
Further, similarly to the conventional example shown in FIG. 4, laser light may be extracted from the substrate side and a heat sink may be bonded to the light emitting layer (active layer) side. In this case, a laser beam extraction port may be formed on the substrate side.
[0063]
In the description of FIG. 1 and the like, a dielectric multilayer mirror is illustrated as an upper mirror. However, the present invention is not limited to this, and any mirror can be used as long as it functions as a mirror.
[0064]
In the description of the embodiment shown in FIG. 2, a p-type impurity such as Zn is diffused in the cladding layer or diffusion layer by diffusion, but the p-type impurity may be implanted by ion implantation.
[0065]
Further, a step is provided on the upper surface of the upper cladding layer InP layer 17 or InP layer 22 which is in contact with the space portion indicated by CS01 in FIG. 1 or “CS11” in FIG. In this case, the portion protruding by the step has the function of a convex lens.
[0066]
In addition to simply providing a step, the step portion may be inclined or the step portion may be curved.
[0067]
The DBR layer 14 is exemplified by n-type InGaAs / InAlAs, but may be InGa (Al) As / InAlAs or InGaAs (P) / InP. Further, n-type InAlAs may be used instead of the n-type InP layer 21.
[0068]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, the present invention has the following effects.
According to the first, third, fourth, fifth and sixth aspects of the present invention, it is possible to reduce the thermal resistance and electrical resistance of the device by removing the upper DBR layer, so that the optical resonator is provided inside. By not using a p-type semiconductor layer that absorbs a large amount of light, the optical loss of the optical resonator can be reduced.
[0069]
According to the invention of claim 2, it is possible to reduce the thermal resistance and electrical resistance of the element by removing the upper DBR layer, and the optical resonator has a p-type that absorbs a large amount of light. By using no semiconductor layer, the optical loss of the optical resonator can be reduced.
[0071]
Further, according to the invention of claim 7 , the step is provided on the upper surface of the upper cladding layer by providing a step in the portion of the extraction port, and projecting the upper cladding layer in at least a part of the extraction port portion. Thus, the protruding portion has the function of a convex lens. If the optical loss of the optical resonator is reduced, the common resonator mode can be stabilized.
[0072]
According to the inventions of claims 8 and 9 , the wavelength of the laser light can be varied by making the dielectric multilayer mirror movable.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a structural sectional view showing an embodiment of a surface emitting laser according to the present invention.
FIG. 2 is a structural sectional view showing another embodiment of the surface emitting laser according to the present invention.
FIG. 3 is an explanatory diagram illustrating the flow of injected current.
FIG. 4 is a structural sectional view showing an example of a conventional surface emitting laser.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,13 InP board | substrate 2,9,14 DBR layer 3,5,8,15,17,21,22 InP layer 4,16 Active layer 6,7 InGaAsP layer 10 Upper electrode 11a, 11b Lower electrode 12a, 12b Hydrogen ion Injection region 18a, 18b p-type electrode 19 dielectric multilayer mirror 20 n-type electrode 23a, 23b Zn diffusion region 24 light emitting region

Claims

In a surface emitting laser that emits laser light in a direction perpendicular to the growth layer,
A substrate,
A distributed reflection layer formed on the substrate;
An active layer sandwiched between two clad layers from above and below and formed on the distributed reflection layer;
A p-type electrode formed on the upper cladding layer and having a light extraction port;
A mirror adhered on the p-type electrode;
An n-type electrode formed on the back surface of the substrate,
A surface emitting laser characterized in that a p-type impurity is diffused or ion-implanted in the upper cladding layer, the active layer, and the lower cladding layer around a light emitting region.

A thick gold film is formed on the p-type electrode, and the mirror is bonded.
The surface emitting laser according to claim 1.

The shape of the outlet is circular or elliptical
The surface emitting laser according to claim 1.

The shape of the extraction port is an arbitrary shape
The surface emitting laser according to claim 1.

A gas is sealed in a portion of the extraction port formed in the p-type electrode.
The surface emitting laser according to claim 1.

A liquid is sealed in the part of the extraction port formed in the p-type electrode.
The surface emitting laser according to claim 1.

A top surface of the upper cladding layer, wherein a step is provided in the extraction port portion so that the upper cladding layer protrudes from at least a part of the extraction port portion.
The surface emitting laser according to any one of claims 1 to 6.

The mirror is movable.
The surface emitting laser according to any one of claims 1 to 7.

A beam structure is formed, the mirror is formed at the center of the beam, and the position of the mirror is changed using an electrostatic force generated by applying a voltage as a driving force.
The surface emitting laser according to claim 8.